DE10113880B4 - Method for compressing and decompressing video data - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Komprimierung und Dekomprimierung von VideodatenThe invention describes a method for compressing and decompressing video data
Videos erzeugen große Datenmengen. Um diese Datenmengen effektiv zu übertragen und abzuspeichern, ist es sinnvoll diese zu komprimieren.Videos generate large amounts of data. In order to effectively transfer and store this amount of data, it makes sense to compress them.
Nach der heutigen Stand der Technik werden Videosignale in einer schnellen Abfolge von Einzelbildern aufgenommen und wiedergegeben. Beim Fernsehen (PAL-Norm) sind dies 25 Bilder pro Sekunde, bzw. 50 Halbbilder. Bei digitalen Aufnahmen sind das bis ca. 30 Bilder pro Sekunden. Jedes Bild wird in Zeilen zerlegt, und zunächst sequentiell übertragen.According to the current state of the art become video signals in a rapid succession of frames recorded and reproduced. For television (PAL standard), these are 25 frames per second or 50 fields. For digital recordings that's up to about 30 frames per second. Each picture is in lines disassembled, and initially transmitted sequentially.
Bisherige Komprimierungsmethoden basieren im wesentlichen auf der Reduzierung der Auflösung, der Farbtiefe und der Verringerung der Anzahl der Bilder pro Sekunde. Bei der digitalen Kompression, z.B. den MPEG-Verfahren, werden anstelle von kompletten Bildern im wesentlichen die Differenzbilder, d.h. die Unterschiede der einzelnen Bildpunkte (Pixel) im Vergleich zum vorherigen Bild, anstelle der Komplettbilder übertragen. Der neueste Standart für Videokodierung ist MPEG4.Previous compression methods are essentially based on reducing the resolution of the Color depth and reducing the number of frames per second. In digital compression, e.g. the MPEG process, are instead of complete images essentially the difference images, i.e. the differences of the individual pixels (pixels) compared to the previous image, instead of the full images transferred. The latest standard for video coding is MPEG4.
MPEG ist die Abkürzung für "Motion Pictures Expert Group". Von dieser Gruppe wurden bzw. werden Dateiformate und Verfahren zum platzsparenden Komprimieren und Speichern von Video- bzw. Multimediadaten (Video, Bild- und Tondaten) in hoher Qualität festlegt. Der MPEG-Standard unterteilt sich inzwischen in MPEG-1, MPEG-2, MPEG-3 und MPEG-4 , wobei der MPEG-3-Standard mittlerweile in MPEG-2 integriert wurde.MPEG is the abbreviation for "Motion Pictures Expert Group". From this group were and are file formats and procedures for space-saving Compress and save video or multimedia data (video, Image and sound data) in high quality sets. The MPEG standard is now divided into MPEG-1, MPEG-2, MPEG-3 and MPEG-4, whereby the MPEG-3 standard has now been integrated into MPEG-2.
Um die riesige Datenmenge von Filmen mit "normalen" Computern verarbeiten und transportieren zu können, werden nur die Veränderungen zum Vorgängerbild abgespeichert. Das MPEG-Format speichert in regelmäßigen Abständen von typischerweise zwölf Bildern sogenannte Intra-Frames ab; das sind JPEG-komprimierte Einzelbilder. Die Bilder zwischen diesen I-Frames werden nach Möglichkeit nicht komplett abgelegt. Vielmehr speichert MPEG, wie man sie durch Verschieben von Teilen aus vorangehenden oder nachfolgenden Bildern zurückgewinnen kann. Dazu werden auch vorausschauende "Predicted Frames" und "B-Frames" (Bi-directionale Frames) verwendet. Da das aber nie perfekt klappt, werden zusätzlich pro Bild die verbleibende Abweichung noch JPEG-kodiert abgespeichert. Mit dieser Methode lässt sich der Datenaufwand für einen Video-Film um etwa 99% verringern . Die mögliche Kompression geht bis 200:1.To the huge amount of data from films process with "normal" computers and to be able to transport only the changes to the previous picture stored. The MPEG format periodically saves from typically twelve Images so-called intra-frames; these are JPEG compressed single images. The images between these I-frames are, if possible not completely filed. Rather, MPEG stores how to go through them Moving parts from previous or following pictures win back can. Predictive frames and B-frames (bi-directional frames) are also used for this purpose. But since this never works perfectly, the remaining ones per image are added Deviation still saved JPEG-coded. With this method you can the data overhead for reduce a video movie by about 99%. The possible compression goes up 200: 1st
MPEG-1 wurde für flüssige Video-Wiedergaben entworfen. Die MPEG-1-Komprimierung bzw. Dekomprimierung war ursprünglich ein hardwareabhängiges Verfahren. Es ist allerdings mittlerweile, dank der schnellen Prozessoren, auch ein Softwaredekomprimieren möglich.MPEG-1 is designed for smooth video playback. The MPEG-1 compression or decompression was original a hardware dependent Method. However, thanks to the fast processors, software decompression is also possible.
Der wesentliche Unterschied zwischen MPEG-1 und MPEG-2 besteht darin, daß MPEG-2 besser mit dem beim Fernsehen eingesetzten Zeilensprungverfahren (Interlace) umgehen kann. Das Geheimnis von MPEG-2 liegt in der Kompression auf höchster Qualitätsstufe, so daß Filmmaterial nahezu 1 zu 1 in Studioqualität bearbeitet und editiert werden kann. Konsequenterweise etablierte sich MPEG-2 zu einem Standard. Bei einer reinen I-Framecodierung lässt sich MPEG-2 sogar im Schnittbetrieb einsetzen.The main difference between MPEG-1 and MPEG-2 is that MPEG-2 is better with that at Bypass interlaced television can. The secret of MPEG-2 is compression at the highest quality level, so footage almost 1 to 1 in studio quality can be edited and edited. Consistently established MPEG-2 became a standard. With pure I-frame coding let yourself Use MPEG-2 even in editing mode.
Der Teil des MPEG-3-Standard, der für High Definition TV-Qualität (HDTV) vorgesehen war, wurde mittlerweile in den MPEG-2-Standard implementiert. MPEG-4 ist eine Weiterentwicklung des MPEG-2-Formats und befindet sich seit 1996 in der Entwicklung. Obwohl MPEG-4 ursprünglich als ein Codierungsstandard für audiovisuelle Daten mit sehr niedriger Bitrate gedacht war, diente die Entwicklung weit mehr Zwecken als lediglich dem Streaming von linearen Mediendaten bei Internet- und drahtlosen Anwendungen. MPEG-4 stellt z.B. effiziente Mechanismen zur Komprimierung und Distribution interaktiver Medieninhalte bereit. Außerdem verfügt MPEG-4 über 3D-Potentiale, um künstliche Intelligenzen zu visualisieren oder Avantare darzustellen, z.B. im Rahmen von Videokonferenzen.The part of the MPEG-3 standard that for high Definition of TV quality (HDTV) was provided, has meanwhile become in the MPEG-2 standard implemented. MPEG-4 is a further development of the MPEG-2 format and has been in development since 1996. Although MPEG-4 was originally called a coding standard for audiovisual Data with very low bitrate was intended for development far more than just streaming linear media data in internet and wireless applications. MPEG-4 e.g. efficient Mechanisms for compressing and distributing interactive media content ready. In addition, MPEG-4 has 3D potential for artificial Visualize intelligences or display avantars, e.g. in the context of video conferences.
Die Kompressionsrate ist bei MPEG-4 höher als bei MPEG-2, wobei "Sprites" besser komprimiert werden können, weil dem Codier-Mechanismus dafür wesentlich mehr Zeit zur Verfügung steht. Eventuell kann dabei sogar auf Wavelets umgeschaltet werden. Die Skriptsprache ermöglicht es, in wenigen Bytes Operationen wie "verschieben" wesentlich schneller durchzuführen, als es die digitalisierte komprimierte Form der gleichen Operation ermöglichen würde. Mit Hilfe dieser "Sprites" können beliebig konturierte Standbilder über sich bewegende Bilder geschoben werden.The compression rate is at MPEG-4 higher than with MPEG-2, whereby "Sprites" compresses better can be because the coding mechanism for it much more time available stands. It may even be possible to switch to wavelets. The scripting language enables it is possible to perform operations such as "move" much faster in a few bytes than allow the digitized compressed form of the same operation would. With the help of these "sprites" can be any contoured still images over moving images are pushed.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Verfahrens zur Komprimierung von Videodaten, welches eine einfache und flexible Anpassung an unterschiedliche Übertragungsraten bzw. -bandbreite, Bildauflösungen und Displaygrößen erlaubt.The object of the invention is in the creation of a method for compressing video data, which a simple and flexible adaptation to different transmission rates or bandwidth, image resolutions and display sizes allowed.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is due to the characteristics of claim 1 solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous configurations and Developments of the invention are specified in the subclaims.
Vorzugsweise erfolgt eine parallele Verarbeitung der Videoinformationen im Videoaufnahmechip. Die parallele Verarbeitung dient dem Zweck, zunächst die wichtigsten Pixel zu ermitteln und diese entsprechend einer Priorisierung in ein Prioritätenarray abzulegen. Dieses Array enthält zu jedem Zeitpunkt, die nach der Priorisierung sortierten Pixelwerte. Entsprechend der Priorisierung werden diese Pixel, und die für die Berechnung der Priorisierung benutzten Pixelwerte, übertragen bzw. abgespeichert. Ein Pixel bekommt eine hohe Priorität, wenn die Unterschiede zu seinen benachbarten Pixel sehr groß sind.A parallel is preferably carried out Processing the video information in the video recording chip. The parallel Processing serves the purpose of first the most important pixels to determine and this according to a prioritization in a priority array store. This array contains at any time, the pixel values sorted according to the prioritization. According to the prioritization, these pixels and those for the calculation the pixel values used in the prioritization, transmitted or stored. A pixel gets high priority if the differences are too its neighboring pixels are very large.
Zur Rekonstruktion werden die jeweils aktuellen Pixelwerte auf dem Display dargestellt. Die noch nicht übertragenden Pixel werden aus den schon übertragenden Pixel berechnet.They are used for reconstruction current pixel values shown on the display. The not yet transferring Pixels become those that are already transmitted Pixels calculated.
Entsprechend der Rechenleistung, der Übertragungsbandbreite und der Größe des Displays können unterschiedliche Verfahren zur Berechnung der noch nicht übertragenen Pixel eingesetzt werden. Steht eine sehr große Bandbreite zur Verfügung kann eine einfache lineare Interpolation durchgeführt werden. Steht nur eine sehr kleine Bandbreite zur Verfügung, kann dies bei der Übertragung der priorisierten Pixel berücksichtigt werden.According to the computing power, the transmission bandwidth and the size of the display can be different Methods for calculating the pixels not yet transferred are used become. Stands a very big one Bandwidth available a simple linear interpolation can be performed. If only a very small bandwidth is available, this can happen during transmission of the prioritized pixels are taken into account.
Durch den Historienverlauf der übertragenden Pixel können Objekte identifiziert, und damit eine Bewegungsabschätzung dieser Objekte durchgeführt werden.Through the history of the transferring Pixels can Identifies objects, and thus a motion estimate of them Objects carried out become.
Der Grundgedanke des Verfahrens basiert auf der priorisierten Pixelspeicherung bzw. Übertragung. Bei der Abspeicherung bzw. der Videoübertragung müssen ferner die zeitlichen und positionellen (innerhalb des Bildarrays) Abhängigkeiten der einzelnen Pixel oder in Pixelgruppen zusammengefassten Pixel berücksichtigt werden.The basic idea of the process is based on the prioritized pixel storage or transmission. When saving or the video transmission have to furthermore the temporal and positional (within the image array) dependencies of the individual pixels or pixels grouped in pixel groups considered become.
Um eine extreme hohe Datenkompression zu erzielen werden jeweils die Pixelgruppen übertragen, die die höchste Priorität haben, und bisher noch nicht übertragen worden sind. Die Flächen, d.h. die Pixelwerte zwischen den schon übertragenden Pixelgruppen werden aus den schon übertragenden Pixelgruppen berechnet, z.B. durch Interpolation. Bei höherer Auflösung (größeres Bildarray) steigt der erreichbare Kompressionsfaktor, da bei natürlichen Aufnahmen größere Flächen meist einen gut vorhersagbaren (gleichmäßigen) Farbverlauf haben, z.B. blauer Himmel.An extremely high data compression to achieve the pixel groups that have the highest priority are transmitted, and have not yet been broadcast have been. The areas i.e. the pixel values between the already transmitted pixel groups from those already transmitting Pixel groups calculated, e.g. through interpolation. At higher resolution (larger image array) the achievable compression factor increases, because with natural Recordings of larger areas mostly have a well predictable (even) color gradient, e.g. blue sky.
Zu beachten ist auch, dass jeweils die exakten Pixelwerte übertragen werden. Falls erforderlich erlaubt dies Verfahren eine verlustfreie Übertragung der Videoinformationen.It should also be noted that transfer the exact pixel values become. If necessary, this procedure allows lossless transmission the video information.
Die Widerherstellung bzw. Rekonstruktion der Videodaten beruht auf Abschätzungen ähnlich des menschlichen Sehverhaltens. Der Mensch nimmt Reize war, aber die Interpretation was er auf diesem Bild erkennt, findet erst in seinem Gehirn statt. Die Reize entsprechen den übertragenen Pixelgruppen, die Interpretation entspricht dem Ausfüllen der Flächen zwischen den noch nicht übertragenen Pixelgruppen.The restoration or reconstruction the video data is based on estimates similar to human Viewing patterns. Man perceives stimuli, but interpretation what he recognizes in this picture only takes place in his brain. The stimuli correspond to those transferred Pixel groups, the interpretation corresponds to filling in the surfaces between those not yet transferred Pixel groups.
Um dieses zu realisieren, können zusätzliche Arrays angelegt werden. Dies sind unter anderem ein Array in welchem die Information vorhanden ist, aus welchen Pixelgruppen der Pixelwert an der aktuellen Position ermittelt wurde. Weitere Informationen können sein, wann diese Werte berechnet worden sind, aus welchen Pixelgruppen diese berechnet bzw. übertragen worden sind. Auch eine Einschätzung über die Genauigkeit der Werte (z.B. Berechnung aus direkt benachbarten Pixel, geringe Varianz der zur Berechnung zugrunde liegenden Pixel) kann als zusätzliche Information ausgewertet werden.To achieve this, additional Arrays can be created. Among other things, these are an array in which the information is available from which pixel groups the pixel value was determined at the current position. Further information can when these values were calculated, from which pixel groups this is calculated or transferred have been. Also an assessment of the Accuracy of the values (e.g. calculation from directly neighboring pixels, small variance of the pixels on which the calculation is based) as additional Information can be evaluated.
Das beschriebene Verfahren erlaubt eine wesentlich einfachere Anpassung des Videodatenstroms an unterschiedliche Displaygrößen und Bildauflösungen.The method described allows a much easier adaptation of the video data stream to different Display sizes and Resolutions.
Ein weitere Vorteil ist, dass durch die beschriebene Art der Kodierung des Videos nicht automatisch festgelegt wird, mit welchen Algorithmen das Video dekodiert werden muss. Dies wird durch Übertragung der priorisierten Plxelwerte erreicht, die entgegen bei anderen Verfahren keine Mittelwertbildung erfahren. Hersteller haben damit die Möglichkeit Low bis High Cost Endgeräte zu entwickeln und sich durch unterschiedliche Algorithmen vom Mitkonkurrenten hervorzuheben.Another advantage is that by the described way of encoding the video is not automatically determined with which algorithms the video has to be decoded. This is through transmission of the priority values reached, which contrary to others Procedure did not experience averaging. Manufacturers have with it the possibility Low to high cost devices too develop and different algorithms from the competition emphasized.
Die angestrebte massiv-parallele Verarbeitung der Videodaten in einem speziell dafür entwickelten Chip erlaubt es, extrem niedrigen Taktraten zu verwenden, was sich günstig auf den Stromverbrauch auswirkt.The targeted massively parallel Processing of the video data in a specially developed chip allows to use extremely low clock speeds, which is cheap on affects electricity consumption.
Durch Priorisierung können bestimmte Bereiche des Videos (z.B. Lippen bei Nachrichtensprechern) mit einer höheren Priorität und folglich einer besseren Auflösung übertragen werden.By prioritizing certain Areas of the video (e.g. lips for news speakers) with a higher priority and consequently transferred to a better resolution become.
Das Verfahren erlaubt es, aus dem Datenstrom des Videos für unterschiedliche Endgeräte die optimalen Teildatenströme herauszufiltern, ohne das dies bei der Videoaufnahme berücksichtigt werden muss.The procedure allows from the Stream of video for different end devices the optimal partial data flows filter out without taking this into account when recording video must become.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Aus den Zeichnungen und deren Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung. Es zeigt:An embodiment of the invention is explained in more detail using the drawing figures. From the drawings and their description, further features, advantages and applications the invention. It shows:
Nachfolgend wird anhand eines exemplarischen Beispiels eine Komprimierung und Dekomprimierung eines Videosignals beschrieben.Below is an example For example, compression and decompression of a video signal described.
Folgende Annahmen werden getroffen:The following assumptions are made met:
Als Videoquelle steht ein derzeit übliches
Videosignal zur Verfügung
(z.B. PAL oder NTSC). Die Videoinformation kann mit einer handelsüblichen
elektronischen Einrichtung (z.B. Framegrabber-Karte) ausgelesen
werden. Zur Veranschaulichung des Verfahrens wird im folgenden ein
minimiertes Bildarray mit einer Breite von 20 Pixel und einer Höhe von 21
Pixel verwendet (
Die Komprimierung des Videosignals erfolgt folgendermaßen:The compression of the Video signal is as follows:
Das Verfahren beruht darauf, dass ständig eine Priorisierung der einzelnen Pixel des Videosignals erfolgt, wobei die Pixel entsprechend ihrer Priorisierung in ein Array abgelegt werden. Dieses Array enthält zu jedem Zeitpunkt, die aktuellen, nach Priorität sortierten Pixelwerte. Ein Pixel bekommt eine hohe Priorität, wenn die Unterschiede zu seinen benachbarten Pixel sehr groß sind. Das Pixel wird zusammen mit seinen für die Berechnung verwendeten Nachbarpixeln zu einer Pixelgruppe zusammengefasst. Entsprechend der Priorisierung werden diese Pixelgruppen übertragen bzw. abgespeichert.The process is based on the fact that constantly the individual pixels of the video signal are prioritized, whereby the pixels are stored in an array according to their prioritization become. This array contains at any time, the current pixel values sorted by priority. On Pixel gets high priority when the differences to its neighboring pixels are very large. The pixel is used along with its for the calculation Neighboring pixels combined into a pixel group. Corresponding These pixel groups are transmitted or stored in the prioritization.
Bildarray einlesenRead in image array
Der Framegrabber hat zu jedem Zeitpunkt
das jeweils aktuelle Bild in seinem Bildarray das wie in
Pixelgruppen festlegenSet pixel groups
Zuvor wurde festgelegt, welche benachbarten
Pixel eine Pixelgruppe bilden. Mit p0 ist dabei dasjenige Pixel
bezeichnet, das die Position der Pixelgruppe angibt und für das die
Priorität
berechnet wird. Die relative Position der übrigen Pixel, z.B. p1–p4, einer
Pixelgruppe zum Bezugspixel p0 ergibt sich aus der verwendeten Art
(Form) der Pixelgruppe. In
Prioritätswerte ermittelnpriority values determine
Für jedes Pixel p0 einer Pixelgruppe wird nun die Priorität in Bezug auf dessen Pixelgruppe berechnet. Dabei wird jedes Pixel 0 – 419 des Bildes einmal zum Bezugspixel p0. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Berechnung der Prioritätswerte der Pixel soweit wie möglich im Rahmen einer parallelen Datenverarbeitung durchgeführt wird. Optimal ist, wenn die Berechnung der Prioritäten aller Pixel des Bildes gleichzeitig erfolgt. Das es sich um ein Videosignal handelt, werden die Prioritätswerte aller Pixel ständig neu berechnet, da sich der Bildinhalt laufend ändert. Die Vielzahl der Pixelgruppen, insbesondere die mit niedrigerer Priorisierung, werden sich aber mit einer hohen Wahrscheinlichkeit nicht ändern.For each pixel p0 of a pixel group now becomes the priority in relation calculated on its pixel group. Each pixel is 0 - 419 of the Once to the reference pixel p0. It is provided according to the invention that the calculation of the priority values the pixel as much as possible is carried out as part of parallel data processing. It is optimal if the calculation of the priorities of all pixels of the image done simultaneously. That it is a video signal the priority values all pixels constantly recalculated because the image content is constantly changing. The multitude of pixel groups, especially those with lower priorities, but will with a high probability not to change.
Zur Berechnung der Priorität kann es verschiedene Rechenmethoden geben. Exemplarisch wird hier eine lineare Methode verwendet.It can be used to calculate the priority give different calculation methods. A linear example is used here as an example Method used.
Dazu werden die einzelnen Pixelwerte P0, P1, P2, P3 und P4 einer Pixelgruppe in ihre Farbanteile Rot, Grün und Blau zerlegt. Jeder dieser Farbwerte wird durch 8 Bit repräsentiert. Für jede Farbe eines jeden Pixels P1–P4 wird nun ein Farbdifferenzwert in Bezug auf P0 ermittelt, z.B. P0_rot–P1_rot, P0_rot–P2_rot, ..., P0_blau–P4_blau. Die absoluten Farbdifferenzwerte werden addiert und durch die Anzahl der Farben und Anzahl der betrachteten Pixel geteilt. Das Ergebnis ist ein Prioritätswert für die betrachtete Pixelgruppe. Dieser Prioritätswert ist umso höher, je unterschiedlicher die Farbwerte der einzelnen Pixel der Pixelgruppe sind.To do this, the individual pixel values P0, P1, P2, P3 and P4 of a pixel group in their color components red, Green and Disassembled blue. Each of these color values is represented by 8 bits. For every Color of each pixel P1-P4 a color difference value is now determined in relation to P0, e.g. P0_rot-P1_rot, P0_rot-P2_rot, ..., P0_blau – P4_blau. The absolute color difference values are added and by the number the colors and number of pixels viewed. The result is a priority value for the considered pixel group. This priority value is the higher, ever the color values of the individual pixels of the pixel group are more different are.
Weitere Methoden zur Ermittlung des Prioritätswert sind die Benutzung von Grauwerten oder der Maximalwert einer Farbdifferenz einer Farbe. Da der Prioritätswert später selbst nicht übertragen, bzw. abgespeichert wird, hat das Verfahren zur Ermittlung des Prioritätswert keinen direkten Einfluss auf die Dekodierung.Other methods of determining the priority value are the use of gray values or the maximum value of a color difference one color. Because the priority value later not broadcast yourself or stored, the method for determining the priority value has none direct influence on the decoding.
Durch diese Priorisierung wird erreicht, dass Bildbereiche, die einen großen Farb- oder Kontrastwechsel aufweisen, wie z.B. Kanten, eine hohe Priorität erhalten, und relativ gleichbleibende Bildinhalte, wie z.B. blauer Himmel, eine Niedrige.This prioritization ensures that image areas that have a large color or contrast change have, such as Edges, given high priority, and relatively consistent Image content, e.g. blue sky, a low one.
Prioritätswerte sortierenpriority values sort by
In diesem Schritt werden die Prioritätswerte der Größe nach absteigend sortiert. Die Sortierung erfolgt nach Ermittlung jedes neuen Prioritätswertes Für jeden Zeitpunkt besitzt man somit eine nach Prioritäten geordnete Liste von Pixelgruppen die absteigend sortiert ist. Es ist anzustreben, dass entsprechende Bildaufnehmer (CCD-Chips) entwickelt werden, welche unmittelbar eine solche nach Prioritäten geordnete Liste bereitstellen.In this step the priority values in size sorted in descending order. The sorting is done after determining each new priority value For each At this point in time, one has a list of pixel groups arranged according to priorities which is sorted in descending order. It is desirable that the corresponding Image recorders (CCD chips) are developed, which immediately one according to priorities Provide an ordered list.
Wird das zu komprimierende Bild direkt mit einer CCD Kamera oder einem Scanner aufgenommen, besteht prinzipiell die Möglichkeit, aus dem in der Kamera/dem Scanner vorhandenen, bildbearbeitenden Mikrochip direkt ein nach Prioritäten sortiertes Array zu erhalten. Somit wird beim komprimieren ein wesentlicher Teil des Rechenaufwandes eingespart.The image to be compressed becomes direct in principle, recorded with a CCD camera or a scanner the possibility, from the existing image processing in the camera / scanner Microchip to directly get an array sorted by priority. Thus, a significant part of the computational effort when compressing saved.
Aktualisieren der PrioritätswerteUpdate the priority values
Im Gegensatz zu Standbildern (z.B.
Fotografien) ergibt sich bei Videoinformationen eine ständig wechselnde
Prioritätsänderung
der Pixelgruppen, z.B. bei Kameraschwenk oder bewegten Objekten.
Um dies zu verdeutlichen ist in den
Gemäß
Für
die Berechnung der Prioritäten
der Pixel (
Es ergibt sich eine Prioritätsverteilung der Pixel, wie sie In der weiteren Beschreibung des Verfahrens beispielhaft in Tabelle 1 zum Zeitpunkt t1 dargestellt ist. Die Tabelle enthält jeweils nur die Nummer des Bezugspixels (p0) einer Pixelgruppe. Diejenigen Pixelgruppen, die sich im Randbereich des Objektes befinden und bei denen das jeweilige Bezugspixel (p0) den größten Unterschied zu den übrigen Pixeln der Pixelgruppe aufweist, bekommen die höchste Priorität A. Die Pixelgruppen, deren Bezugspixel einen geringeren Unterschied zu den übrigen Pixeln der Pixelgruppe aufweisen bekommen eine mittlere Priorität B und diejenigen Pixelgruppen, deren Bezugspixel gar keinen Unterschied zu den übrigen Pixeln der Pixelgruppe aufweisen die niedrigste Priorität C. Tabelle 1 This results in a priority distribution of the pixels, as is shown in the further description of the method as an example in Table 1 at time t1. The table contains only the number of the reference pixel (p0) of a pixel group. Those pixel groups that are located in the edge area of the object and for which the respective reference pixel (p0) has the greatest difference to the other pixels of the pixel group are given the highest priority A. The pixel groups whose reference pixels have a smaller difference to the other pixels of the pixel group have a medium priority B and those pixel groups whose reference pixels have no difference to the other pixels of the pixel group have the lowest priority C. Table 1
Im Rahmen der Komprimierung werden
nun zunächst
die mit Priorität
A versehenden Pixelgruppen übertragen
bzw. abgespeichert, dann die Pixelgruppen mit Priorität B und
schließlich
die Pixelgruppen mit der Priorität
C: Da sich das Objekt zwischenzeitlich bewegt und in Bezug zu
Die neu berechneten Prioritäten der
Pixelgruppen für
die Zeitpunkte t2 (
Somit könnte eine mögliche komprimierte Übertragung
eines Videosignals gemäß Tabelle
1 folgendermaßen
aussehen:
Zeitpunkt t1: Pixelgruppen mit der höchsten Priorität A werden übertragen:
Zum
Zeitpunkt t2 werden neue Prioritäten
erkannt. Andere Pixelgruppen erhalten höchste Priorität A. Es
wird mit der Übertragung
der neuen Priorität
A fortgefahren:
Danach
folgt die Übertragung
der Pixelgruppen mit Priorität
B:
Zum
Zeitpunkt t3 werden wieder neue Prioritäten erkannt. Andere Pixelgruppen
erhalten höchste
Priorität
A. Es wird mit der Übertragung
der neuen Priorität
A fortgefahren:
Time t1: Pixel groups with the highest priority A are transmitted:
New priorities are recognized at time t2. Other pixel groups receive highest priority A. The transfer of the new priority A is continued:
This is followed by the transmission of the pixel groups with priority B:
New priorities are recognized again at time t3. Other pixel groups receive highest priority A. The transfer of the new priority A is continued:
In einem zusätzlichen Array wird überprüft, welche Pixelgruppen bereits übertragen worden sind. Wurde eine Pixelgruppe schon übertragen, braucht Sie nicht ein 2tes mal übertragen werden, sofern sich ihre Priorität nicht zwischenzeitlich geändert hat. Bestimmte Bildregionen, z.B. Gesichter, können erkannt und bevorzugt übertragen werden. Zusätzlich können von dem Empfänger auch bestimmte Pixelgruppen angefordert werden (z.B. bei Erkennung von Übertragungsfehleren durch fehlerhaften CRC Check). Derart angeforderte Pixelgruppen können dann eine hohe Priorität erhalten, so dass Sie sofort Übertragen wird.An additional array is used to check which Pixel groups already transferred have been. If a group of pixels has already been transferred, you do not need it broadcast a 2nd time provided their priority not changed in the meantime Has. Certain image regions, e.g. Faces, can be recognized and preferably transmitted become. additionally can from the recipient certain groups of pixels are also requested (e.g. upon detection of transmission errors due to incorrect CRC check). Pixel groups requested in this way can then a high priority received so that you can transfer immediately becomes.
Pixelgruppen abspeichern/übertragenSave / transfer pixel groups
Die Begriffe „abspeichern" und „übertragen" werden nachfolgend synonym verwendet. Zunächst werden einige Kenngrößen des Videobildes abgespeichert bzw. übertragen. Exemplarisch aufgeführt sind das z.B.:The terms "save" and "transfer" are as follows used synonymously. First some parameters of the Saved or transmitted video image. Listed as an example for example:
- – Bildbreite (in Pixel)- image width (in pixels)
- – Bildhöhe (in Pixel)- image height (in pixels)
- – Verwendete Form der Pixelgruppe (nicht notwendig wenn nur eine Form standardisiert ist)- Used Shape of the pixel group (not necessary if only one shape is standardized is)
Anschließend werden die einzelnen Pixelgruppen entsprechend ihrer Priorität abgespeichert bzw. übertragen, d.h. Pixelgruppen mit hoher Priorität werden zuerst gespeichert (und später auch zuerst ausgelesen).Then the individual pixel groups according to their priority saved or transferred, i.e. High priority pixel groups are saved first (and later also read out first).
Dazu wird zunächst der Positionswert des Bezugspixels p0 der Pixelgruppe abgespeichert. Anschließend werden die Pixelwerte P0, P1, P2, P3, P4 abgespeichert.The position value of the Reference pixel p0 of the pixel group is stored. Then be the pixel values P0, P1, P2, P3, P4 are stored.
Beispiel:Example:
Positionswert P0, Pixelwerte P0, P1, P2, P3, P4; nächster Positionswert P0 (mit gleicher oder niedrigerer Priorität), Pixelwerte P0, P1, P2, P3, P4,..., nächster Positionswert P0 (mit geringster Priorität), Pixelwerte P0, P1, P2, P3, P4.Position value P0, pixel values P0, P1, P2, P3, P4; Next Position value P0 (with the same or lower priority), pixel values P0, P1, P2, P3, P4, ..., next Position value P0 (with lowest priority), pixel values P0, P1, P2, P3, P4.
Das Abspeichern kann durch verschiedene Methoden, die hier nur exemplarisch angesprochen werden, optimiert werden.The saving can be done by different Methods that are only mentioned here as examples are optimized become.
Es kann eine Lauflängencodierung der Pixelgruppen vorgenommen werden. Z.B. wenn in einem Bildbereich keine Rotanteile vorkommen, kann dies anstelle von 8 Bit (rot) nur mit z.B. 2 Bit übertragen werden, oder es kann die Anzahl der führenden Nullen ausgenutzt werden.There can be a run length coding of the pixel groups. For example, if in an image area no red components occur, this can only be done instead of 8 bits (red) with e.g. 2 bits transmitted or the number of leading zeros can be used.
Ferner können allgemein übliche Komprimierungsmethoden, z.B. Zip-Format, verwendet werden.Common compression methods, e.g. Zip format, can be used.
Durch Festlegung eines Grenzwertes für die Priorisierung kann eine bestimmte Qualität gewährleistet werden. Z.B. kann ein Grenzwert für die Pixeldifferenzwerte festgelegt werden unterhalb dessen die zugeordnete Pixelgruppe immer den niedrigsten Prioritätswert bekommt.By setting a limit for the Prioritization can ensure a certain quality. For example, can a limit for the pixel difference values are defined below which the assigned one Pixel group always gets the lowest priority value.
Werden zunächst die 4 Pixelgruppen der Eckpunkte übertragen, bekommt man mit wenigen Pixelgruppen eine größtmögliche Fläche berechnet.First the 4 pixel groups of the Transfer key points, you get the largest possible area calculated with a few pixel groups.
Rekonstruktion (Dekomprimierung) der VideodatenReconstruction (decompression) the video data
Neues Bildarray generierenGenerate new image array
Bei der Rekonstruktion der komprimierten
Videodaten wird zunächst
ein Bildarray vergleichbar mit der Darstellung in
Pixelgruppen einfügenInsert pixel groups
Wie in
Anschließend wird der Mittelwert jeder
Farbe berechnet, z.B. Pixel(
Flächen ausfüllenFill in areas
Nun werden die bereits vorhandenen
Pixelgruppen durch Linien miteinander verbunden. Dies ist in
Die noch übrigen Flächen werden durch Zeichnen von horizontalen Linien ausgefüllt, z.B. von Position 63 nach Position 74, von Position 82 nach Position 93, usw. Auch hier wird ein vorläufiger Farbverlauf zwischen den Punkten wie oben angegeben berechnet,The remaining areas are drawn filled with horizontal lines, e.g. from position 63 to position 74, from position 82 to position 93, etc. Again, a preliminary one Gradient between the dots calculated as given above,
Wie
Zusätzliche Möglichkeit der Parallelisierung entsteht dadurch, wenn neue Pixelgruppen in unterschiedlichen Regionen des Bildes hinzugefügt werden.Additional possibility of parallelization arises when new pixel groups in different regions of the picture added become.
Bei den oben beschriebenen Verfahrenschritten wurde vorausgesetzt, dass sich der Bildinhalt zwischenzeitlich nicht geändert hat. Ändert sich der Bildinhalt, dann werden die Prioritäten der einzelnen Pixelgruppen neu verteilt und die aktuellen Pixelgruppen mit der höchsten Priorität übertragen. Es ändert sich nur die Reihenfolge der gerade übertragenen und in das Bild eingefügten Pixelgruppen. Am oben beschriebenen Prinzip der Rekonstruktion des Bildes ändert sich jedoch nichts.With the process steps described above it was assumed that the image content did not change in the meantime changed Has. change the picture content, then the priorities of the individual pixel groups redistributed and the current pixel groups with the highest priority transmitted. It changes just the order of the just transferred and in the picture pasted Pixel groups. On the principle of reconstruction of the Image changes nothing, however.
Um den zeitlichen Änderungen des Bildinhalts Rechnung zu tragen, können jedoch noch zusätzliche Arrays (mit der Größe des Bildarrays) erzeugt werden. Diese können Angaben enthalten über dieTo the temporal changes However, additional arrays can take the image content into account (with the size of the image array) be generated. these can Information contains about the
- – Zeit, d.h. wann wurde ein Pixelwert zuletzt berechnet bzw. übertragen- Time, i.e. when was a pixel value last calculated or transferred
- – Berechnungsgrundlage. Welche übertragenen Pixel wurden zur Berechnung des Pixelwertes benutzt- Basis of calculation. Which transferred Pixels were used to calculate the pixel value
- – Wahrscheinlichkeit/Genauigkeit. Wurde ein Pixelwert übertragen oder berechnet; falls er berechnet wurde wie groß ist die Varianz der Pixelgruppen aus denen der neue Wert berechnet wurde?- probability / accuracy. A pixel value was transferred or calculated; if it was calculated how large is the variance of the pixel groups from which the new value was calculated?
- – Abweichung von schon kalkulierten Pixelwerten mit dann übertragenden Pixelwerten- deviation of already calculated pixel values with then transferring pixel values
Aus diesen Größen lassen sich dann Bildregionen bestimmen in denen häufig Pixelgruppenänderungen vorkommen. Benachbarte Pixelgruppen, oder auch komplette Bereiche werden in aller Regel ähnlichen Veränderungen, z.B.Image regions can then be made from these sizes determine in which often Pixel group changes occurrence. Adjacent pixel groups, or entire areas are usually similar changes, e.g.
Helligkeitsänderungen, Farbänderungen unterliegen. Durch Auswertung dieser Änderungen lassen sich in aller Regel Objekte und ihr dynamisches Verhalten bestimmen, z.B. Gegenstand der sich im Video bewegt. Gleichmäßige Änderungen bezogen auf das gesamte Bildarray können zum Beispiel auf einen Kameraschwenk hinweisen. Werden diese Informationen z.B. mit Hilfe von lernfähigen neuronalen Netzen ausgewertet, lassen sich sehr leicht Abschätzungen über die Pixelwerte von noch nicht übertragenden Pixelgruppen machen. Treffen diese Abschätzungen zu, können Pixelgruppen identifiziert werden, die besonderen Einfluss auf Veränderungen auf Objekte besitzen. Werden diese Pixelgruppen von der Quelle erneut angefragt, ist es möglich Objektbewegungen mit nur wenig Pixelgruppen genau zu bestimmen und vorherzusagen. In der Praxis bedeutet es, dass obwohl nur eine niedrige Bandbreite zur Verfügung steht, niedrige Verzögerungszeiten auftreten, die wesentlich geringer sind als bei Frame-basierten Verfahren. Die Auswertung der zusätzlich im Empfänger generierten Arrays erlaubt auch eine gute Objekterkennung.Changes in brightness, changes in color subject. By evaluating these changes in all Determine rule objects and their dynamic behavior, e.g. object that moves in the video. Uniform changes across the board Image array can for example to point out a camera pan. Will this information e.g. with the help of learnable evaluated neural networks, estimates can be made very easily via the Pixel values from not yet transferring Make pixel groups. If these estimates are correct, pixel groups can be identified, the particular influence on changes own objects. These groups of pixels will come from the source again asked, it is possible To precisely determine object movements with only a few pixel groups and predict. In practice it means that although only a low one Bandwidth available stands, low delay times occur, which are significantly lower than with frame-based methods. The evaluation of the additional in the receiver generated arrays also allow good object recognition.
In Abhängigkeit der verfügbaren Ressourcen können neben der reinen Priorisierung durch die Farbwerte benachbarter Pixel auch Abhängigkeiten der Lage der priorisierten Pixelgruppen herangezogen werden.Depending on the available resources can in addition to pure prioritization by the color values of neighboring ones Pixels also dependencies the position of the prioritized pixel groups can be used.
Ein Anwendungsfall soll dies verdeutlichen. Betrachtet man auf See einen Horizont, erscheint dieser wie eine waagerechte Linie. Es ist zu erwarten, dass die Prioritätswerte jeder Pixelgruppe entlang diesem Horizont in etwa gleich sind. In diesem Fall besitzen die am weitesten auseinander liegenden Punkte der Horizontlinie die größte Aussagekraft. Durch Übertragung der äußersten linken und äußersten rechten Pixelgruppen des Horizonts ist es schon möglich, diesen wieder zu rekonstruieren.An application case should clarify this. If you look at a horizon at sea, it looks like one horizontal line. It is expected that the priority values each group of pixels along this horizon are approximately the same. In in this case have the most widely spaced points the greatest meaningfulness of the horizon line. By transmission the outermost left and extreme right pixel groups of the horizon it is already possible to use this to reconstruct again.
Eine weitere Möglichkeit der Priorisierung liegt in der Höherbewertung bestimmter Bildbereiche. Ein solcher Bildbereich können zum Beispiel Gesichter sein. Obwohl Gesichter auf Urlaubsvideos manchmal nur einen prozentual kleinen Bereich des gesamten Bildes ausmachen, stehen sie beim Betrachten meist im Mittelpunkt. Ein solches menschliches Sehverhalten kann durch entsprechende Priorisierung der Pixelgruppen dieser Bildbereiche (Gesichtsbereiche) berücksichtigt werden. Ebenso können die Pixelgruppen im Zentrum des Videos eine entsprechend höhere Priorisierung erfahren.Another way of prioritizing lies in the higher rating certain areas of the image. Such an image area can be used for Example faces. Although faces on vacation videos sometimes make up only a small percentage of the entire image, they are usually the focus when looking at them. Such a human Visual behavior can be improved by prioritizing the pixel groups accordingly Image areas (face areas) are taken into account. Likewise, the Pixel groups in the center of the video have a higher priority Experienced.
Eine weitere Möglichkeit der Optimierung besteht in der Tatsache, dass sich benachbarte Pixelgruppen gegenseitig überlagern. Durch geschickte Auswahl der Pixelgruppen kann vermieden werden, dass sich überlagernde Pixelwerte benachbarten Pixelgruppen wiederholt übertragen werden.Another possibility for optimization is in the fact that neighboring groups of pixels overlap each other. By skilfully selecting the pixel groups it can be avoided that overlapping Pixel values neighboring pixel groups are repeatedly transmitted.
Der Aufwand der zum Dekodieren verwendet wird, ist frei skalierbar. Bei kleineren Displays (z.B. Handys ) ist sicherlich weniger Rechenaufwand notwendig als die Wiedergabe auf einem hochauflösendem Großbildschirm, obwohl beide den gleichen Quelldatenstrom, bestehend aus den priorisierten Pixelgruppen, verwenden. Diese flexible Skalierung erlaubt es Herstellern von Endgeräten, spezielle Optimierungen, z.B. Anzahl der Objekte, Historie der Bildänderungen, in ihre Geräte einzubauen. Für die Hersteller ergibt sich eine Möglichkeit, sich von ihren Mitbewerbern abzuheben, ohne die Kompatibilität der Videoübertragung zu gefährden.The effort used for decoding is freely scalable. For smaller displays (e.g. cell phones) less computing effort than playback is certainly necessary on a high resolution Large screen, although both have the same source data stream consisting of the prioritized ones Use pixel groups. This flexible scaling allows manufacturers of end devices, special optimizations, e.g. Number of objects, history of image changes, in their devices install. For The manufacturer gives a way to stand out from their competitors stand out without compatibility the video transmission to endanger.
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AG | Has addition no. |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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